JP2002081981A - 熱式流量計 - Google Patents
熱式流量計Info
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Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 精度が良く耐久性が高く、信号処理が容易な
熱式流量計を得る。 【解決手段】 基体１１には液体が流れる溝部１２が形
成され、溝部１２の上には圧電特性を有する圧電板１４
が接合され、その上面にくし形電極１５、１６、１７及
びレーザー光吸収膜１８が形成されている。流量測定に
際して、圧電板１４のレーザー光吸収膜１８にレーザー
光を例えば所定時間照射すると、流体の質量流量による
冷却が加わった温度変化曲線になるので、圧電板１４の
発振周波数もそれに追従して変化し、この温度変化特性
を基に流量を測定する。
熱式流量計を得る。 【解決手段】 基体１１には液体が流れる溝部１２が形
成され、溝部１２の上には圧電特性を有する圧電板１４
が接合され、その上面にくし形電極１５、１６、１７及
びレーザー光吸収膜１８が形成されている。流量測定に
際して、圧電板１４のレーザー光吸収膜１８にレーザー
光を例えば所定時間照射すると、流体の質量流量による
冷却が加わった温度変化曲線になるので、圧電板１４の
発振周波数もそれに追従して変化し、この温度変化特性
を基に流量を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体、液体の流体
の質量流量計測に用いる熱式流量計に関するものであ
る。
の質量流量計測に用いる熱式流量計に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】流体を加熱した物体に接触させると、流
体は物体から熱エネルギを奪って自己の温度は上昇す
る。このとき、単位時間に移動する熱量は、流体の定圧
比熱×流体の上昇温度差×流体の質量流量に相当する。
従って、この関係から流体の質量流量を求めることがで
きる。
体は物体から熱エネルギを奪って自己の温度は上昇す
る。このとき、単位時間に移動する熱量は、流体の定圧
比熱×流体の上昇温度差×流体の質量流量に相当する。
従って、この関係から流体の質量流量を求めることがで
きる。
【０００３】この原理に基づく流量計の測定方法には、
流体の流れる管体内に温度センサを設ける方式と、流体
の流れる管体の外側に温度センサを設ける方式がある。
流体の流れる管体内に温度センサを設ける方式と、流体
の流れる管体の外側に温度センサを設ける方式がある。
【０００４】図４は流体の流れる管体１内にヒータを兼
ねた熱電対２と、加熱しない熱電対３を設ける方式であ
り、流体内に加熱されている熱電対２を挿入すると、流
体の質量流量に関係して熱電対２は流体により熱を奪わ
れ温度が低下する。従って、熱電対２の温度変化を計測
すれば、質量流量を求めることができる。なお、この場
合に非加熱用の熱電対３は流体温度を測定する。
ねた熱電対２と、加熱しない熱電対３を設ける方式であ
り、流体内に加熱されている熱電対２を挿入すると、流
体の質量流量に関係して熱電対２は流体により熱を奪わ
れ温度が低下する。従って、熱電対２の温度変化を計測
すれば、質量流量を求めることができる。なお、この場
合に非加熱用の熱電対３は流体温度を測定する。
【０００５】図５は流体の流れる管体５の外側２つに温
度センサ６、７を設ける方式であり、流体が流れる管体
５にバイパス管路８を設けて、このバイパス管路８にヒ
ータ９とこのヒータ９の前後に温度センサ６、７を配置
する。この構成では、流体が流れていないときには２つ
の温度センサ６、７による温度は等しいが、流体が流れ
るとバイパス管路８中の下流側の温度が変化し温度差を
生ずる。この温度差を基に質量流量を求めることができ
る。
度センサ６、７を設ける方式であり、流体が流れる管体
５にバイパス管路８を設けて、このバイパス管路８にヒ
ータ９とこのヒータ９の前後に温度センサ６、７を配置
する。この構成では、流体が流れていないときには２つ
の温度センサ６、７による温度は等しいが、流体が流れ
るとバイパス管路８中の下流側の温度が変化し温度差を
生ずる。この温度差を基に質量流量を求めることができ
る。
【０００６】このような熱式流量計は、質量流量が測定
でき、極めて微少な流量を高精度で測定できるなどの特
長があり、用途が拡がっている。
でき、極めて微少な流量を高精度で測定できるなどの特
長があり、用途が拡がっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、熱容量をできるだけ小さくするため
に、ヒータには白金の細線を使用していることが多く、
振動や流体圧及び流体との反応によって断線し易い。ま
た、内蔵型の温度センサには流体中の異物が付着して性
能が劣化するなどの欠点がある。更に、温度センサの信
号は一般にアナログ信号であるので、制御などのために
デジタル信号を必要とする場合には、ＡＤ変換器を要す
るなどの問題点もある。
来例においては、熱容量をできるだけ小さくするため
に、ヒータには白金の細線を使用していることが多く、
振動や流体圧及び流体との反応によって断線し易い。ま
た、内蔵型の温度センサには流体中の異物が付着して性
能が劣化するなどの欠点がある。更に、温度センサの信
号は一般にアナログ信号であるので、制御などのために
デジタル信号を必要とする場合には、ＡＤ変換器を要す
るなどの問題点もある。
【０００８】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
精度が良く耐久性が高く、信号処理が容易な熱式流量計
を提供することにある。
精度が良く耐久性が高く、信号処理が容易な熱式流量計
を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る熱式流量計は、流体を流す溝部を有する
基体と、前記溝部を覆う圧電板とから成り、前記圧電板
の表面に複数の電極を形成し、加熱手段により前記圧電
板の一部を加熱すると共に前記圧電板上の前記電極間を
伝播する表面弾性波の周波数を基に前記圧電板の温度を
検出し、前記溝部中を流れる流体により冷却される前記
圧電板の温度変化を測定し、前記流体の質量流量を求め
ることを特徴とする。
の本発明に係る熱式流量計は、流体を流す溝部を有する
基体と、前記溝部を覆う圧電板とから成り、前記圧電板
の表面に複数の電極を形成し、加熱手段により前記圧電
板の一部を加熱すると共に前記圧電板上の前記電極間を
伝播する表面弾性波の周波数を基に前記圧電板の温度を
検出し、前記溝部中を流れる流体により冷却される前記
圧電板の温度変化を測定し、前記流体の質量流量を求め
ることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明を図１〜図３に図示の実施
の形態に基づいて詳細に説明する。図１は全体の斜視
図、図２は製作の手順の斜視図を示し、例えば水晶体か
ら成る基体１１の一部には、ダイサー等により溝加工し
て液体が流れる溝部１２が形成され、溝部１２の両側の
縁面はラップ機により精密研磨されている。溝部１２の
上には、センサ１３として圧電特性を有する例えば水晶
から成る圧電板１４が直接接合法により接合され、その
上面にくし形電極１５、１６、１７及びレーザー光吸収
膜１８が形成されている。
の形態に基づいて詳細に説明する。図１は全体の斜視
図、図２は製作の手順の斜視図を示し、例えば水晶体か
ら成る基体１１の一部には、ダイサー等により溝加工し
て液体が流れる溝部１２が形成され、溝部１２の両側の
縁面はラップ機により精密研磨されている。溝部１２の
上には、センサ１３として圧電特性を有する例えば水晶
から成る圧電板１４が直接接合法により接合され、その
上面にくし形電極１５、１６、１７及びレーザー光吸収
膜１８が形成されている。
【００１１】レーザー光を吸収するためのレーザー光吸
収膜１８は圧電板１４の中心部にスパッタにより形成さ
れ、このレーザー光吸収膜１８を挟んで両側に３つのく
し形電極１５、１６、１７が同様にスパッタにより設け
られており、これらの電極１５、１６、１７は図示しな
いリード線により回路部に接続されている。
収膜１８は圧電板１４の中心部にスパッタにより形成さ
れ、このレーザー光吸収膜１８を挟んで両側に３つのく
し形電極１５、１６、１７が同様にスパッタにより設け
られており、これらの電極１５、１６、１７は図示しな
いリード線により回路部に接続されている。
【００１２】図３はブロック回路構成図を示している。
圧電板１４上の電圧印加用電極１５とアース用電極１６
の間に印加する駆動電圧を生成する駆動回路２１が設け
られ、帰還信号部用電極１７とアース用電極１６の間に
発生する表面弾性波による出力電圧を増幅し検出する増
幅回路２２、周波数検出回路２３が設けられている。
圧電板１４上の電圧印加用電極１５とアース用電極１６
の間に印加する駆動電圧を生成する駆動回路２１が設け
られ、帰還信号部用電極１７とアース用電極１６の間に
発生する表面弾性波による出力電圧を増幅し検出する増
幅回路２２、周波数検出回路２３が設けられている。
【００１３】このような構成において、電圧印加用電極
１５とアース電極１６の間に交流電圧を加えると、この
電圧がこれらの電極１５、１６により表面弾性波に変換
され、圧電板１４の表面を伝播して対向する帰還信号部
用電極１７に伝達される。発振条件を満たす周波数の電
圧だけが帰還することができるので、その周波数で発振
することになる。この発振周波数は圧電板１４の共振周
波数に一致するので、通常では表面弾性波共振器と呼ば
れている。
１５とアース電極１６の間に交流電圧を加えると、この
電圧がこれらの電極１５、１６により表面弾性波に変換
され、圧電板１４の表面を伝播して対向する帰還信号部
用電極１７に伝達される。発振条件を満たす周波数の電
圧だけが帰還することができるので、その周波数で発振
することになる。この発振周波数は圧電板１４の共振周
波数に一致するので、通常では表面弾性波共振器と呼ば
れている。
【００１４】圧電板１４の共振周波数以外の周波数によ
り、電圧印加用電極１５とアース用電極１６の間に加え
られた電気的エネルギは、機械的エネルギ即ち弾性波に
殆ど変換されず、またこの周波数で発生した弾性波も帰
還信号部用電極１７とアース用電極１６に発生する電気
的エネルギに変換されることはない。従って、発振周波
数は電気、機械、電気とエネルギが効率良く変換されて
圧電板１４の共振周波数となる。
り、電圧印加用電極１５とアース用電極１６の間に加え
られた電気的エネルギは、機械的エネルギ即ち弾性波に
殆ど変換されず、またこの周波数で発生した弾性波も帰
還信号部用電極１７とアース用電極１６に発生する電気
的エネルギに変換されることはない。従って、発振周波
数は電気、機械、電気とエネルギが効率良く変換されて
圧電板１４の共振周波数となる。
【００１５】圧電板１４の共振周波数ｆは、くし形電極
１５、１７間の距離をｄ、弾性表面波の伝播速度をｖと
すると、 ｆ＝（ｖ／ｄ）（ｎ−φE／２π） として得られる。ここで、ｎは電極形状と距離ｄで決ま
る整数、φEは増幅器の移相量である。
１５、１７間の距離をｄ、弾性表面波の伝播速度をｖと
すると、 ｆ＝（ｖ／ｄ）（ｎ−φE／２π） として得られる。ここで、ｎは電極形状と距離ｄで決ま
る整数、φEは増幅器の移相量である。
【００１６】圧電板１４の温度が変化すると、圧電板１
４のヤング率等が変化し、圧電板１４上を伝播する表面
弾性波の伝播速度ｖが変化することから、共振周波数ｆ
に変化が生ずることを利用して、周波数ｆの測定により
圧電板１４の温度を測定することができる。
４のヤング率等が変化し、圧電板１４上を伝播する表面
弾性波の伝播速度ｖが変化することから、共振周波数ｆ
に変化が生ずることを利用して、周波数ｆの測定により
圧電板１４の温度を測定することができる。
【００１７】流量測定に際して、この圧電板１４のレー
ザー光吸収膜１８に、図示しないレーザー光源からレー
ザー光を例えば所定時間照射すると、溝部１２内の流体
の流れが停止している場合には、圧電板１４の温度は自
然冷却カーブに従って変化する。また、流れがある場合
は、圧電板１４は流体の質量流量による冷却が加わった
温度変化曲線になるので、圧電板１４の共振周波数ｆも
それに追従して変化する。
ザー光吸収膜１８に、図示しないレーザー光源からレー
ザー光を例えば所定時間照射すると、溝部１２内の流体
の流れが停止している場合には、圧電板１４の温度は自
然冷却カーブに従って変化する。また、流れがある場合
は、圧電板１４は流体の質量流量による冷却が加わった
温度変化曲線になるので、圧電板１４の共振周波数ｆも
それに追従して変化する。
【００１８】レーザー光を所定間隔、例えば１秒おきに
照射し、その間の圧電板１４の温度変化を検出する。所
定時間のレーザー光の照射により加熱された圧電板１４
は、流体により冷却され流体温度と一致するので、再び
レーザー光を照射し測定をするという間欠的な測定がで
きる。この場合に、圧電板１４の冷却曲線や飽和冷却時
間を測定することにより流量を測定できることになる。
照射し、その間の圧電板１４の温度変化を検出する。所
定時間のレーザー光の照射により加熱された圧電板１４
は、流体により冷却され流体温度と一致するので、再び
レーザー光を照射し測定をするという間欠的な測定がで
きる。この場合に、圧電板１４の冷却曲線や飽和冷却時
間を測定することにより流量を測定できることになる。
【００１９】或いは、流量による冷却があっても、圧電
板１４の温度が変化しないように、照射するレーザー光
のエネルギをフィードバック制御しながら圧電板１４に
加え、その投入エネルギつまり電力量を測定して流量を
測定してもよい。この場合には、レーザー光を連続的に
投射できるが、流体自体の温度変化があると流量測定値
に影響が生ずることになる。
板１４の温度が変化しないように、照射するレーザー光
のエネルギをフィードバック制御しながら圧電板１４に
加え、その投入エネルギつまり電力量を測定して流量を
測定してもよい。この場合には、レーザー光を連続的に
投射できるが、流体自体の温度変化があると流量測定値
に影響が生ずることになる。
【００２０】このように実施例においては、例えばレー
ザー光を発熱源としているので、白金細線ヒータのよう
に断線の虞れがない。また、センサ１３は振動子形であ
るため、圧電板１４の裏面に流体中の異物が付着し難い
という利点がある。
ザー光を発熱源としているので、白金細線ヒータのよう
に断線の虞れがない。また、センサ１３は振動子形であ
るため、圧電板１４の裏面に流体中の異物が付着し難い
という利点がある。
【００２１】上述の説明では、圧電板１４の材料を水晶
としたが、流体によっては他の圧電材料でもよく、リチ
ウムナイオベイト、リチウムタンタレイト、ＰＺＴなど
が使用可能である。また、基体１１の材料を水晶とした
のは、水晶から成る圧電板１４との接合が容易であるた
めなので、原理的には他の材料であっても支障はない。
としたが、流体によっては他の圧電材料でもよく、リチ
ウムナイオベイト、リチウムタンタレイト、ＰＺＴなど
が使用可能である。また、基体１１の材料を水晶とした
のは、水晶から成る圧電板１４との接合が容易であるた
めなので、原理的には他の材料であっても支障はない。
【００２２】また、加熱手段はレーザ光とは限らず、他
の加熱手段を用いてよいことは勿論である。
の加熱手段を用いてよいことは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る熱式流
量計は、表面弾性波を発生する圧電板に対し加熱手段を
用いて測温するセンサを使用することによって、異物が
付着せず、信号処理が容易であるという利点を有してい
る。
量計は、表面弾性波を発生する圧電板に対し加熱手段を
用いて測温するセンサを使用することによって、異物が
付着せず、信号処理が容易であるという利点を有してい
る。
【図１】実施の形態の斜視図である。
【図２】製作の手順の斜視図である。
【図３】ブロック回路構成図である。
【図４】従来例の説明図である。
【図５】従来例の説明図である。
１１ 基体 １２ 溝部 １３ センサ １４ 圧電板 １５、１６、１７ 電極 １８ レーザ光吸収膜 ２１ 駆動回路 ２２ 増幅回路 ２３ 周波数検出回路
Claims (4)
- 【請求項１】 流体を流す溝部を有する基体と、前記溝
部を覆う圧電板とから成り、前記圧電板の表面に複数の
電極を形成し、加熱手段により前記圧電板の一部を加熱
すると共に前記圧電板上の前記電極間を伝播する表面弾
性波の周波数を基に前記圧電板の温度を検出し、前記溝
部中を流れる流体により冷却される前記圧電板の温度変
化を測定し、前記流体の質量流量を求めることを特徴と
する熱式流量計。 - 【請求項２】 前記加熱手段はレーザー光とした請求項
１に記載の熱式流量計。 - 【請求項３】 前記加熱手段による前記圧電板の加熱は
間欠的に行うようにした請求項１に記載の熱式流量計。 - 【請求項４】 前記圧電板は水晶とした請求項１に記載
の熱式流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000270227A JP2002081981A (ja) | 2000-09-06 | 2000-09-06 | 熱式流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000270227A JP2002081981A (ja) | 2000-09-06 | 2000-09-06 | 熱式流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002081981A true JP2002081981A (ja) | 2002-03-22 |
Family
ID=18756700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000270227A Pending JP2002081981A (ja) | 2000-09-06 | 2000-09-06 | 熱式流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002081981A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100671031B1 (ko) | 2004-07-09 | 2007-01-18 | 사공건 | 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템 |
| CN110375890A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-10-25 | 上海交通大学 | 无源无线声表面波高温热流传感器 |
| CN119643903A (zh) * | 2024-11-06 | 2025-03-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种声表面波热式气体流速传感器 |
-
2000
- 2000-09-06 JP JP2000270227A patent/JP2002081981A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100671031B1 (ko) | 2004-07-09 | 2007-01-18 | 사공건 | 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템 |
| CN110375890A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-10-25 | 上海交通大学 | 无源无线声表面波高温热流传感器 |
| CN119643903A (zh) * | 2024-11-06 | 2025-03-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种声表面波热式气体流速传感器 |
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